РГР_Пневмопривод_и_пневмоавтоматика_Белов_ЕЛ
.pdfФГБОУ ВО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»
Кафедра «Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства»
Методические указания для выполнения расчетно-
графической (самостоятельной) работы
ПНЕВМОПРИВОД И ПНЕВМОАВТОМАТИКА
Направление подготовки 35.03.06 Агроинженерия
Чебоксары – 2015
Методические указания и варианты контрольных заданий по дисциплине «Пневмопривод и пневмоавтоматика» для студентов всех форм обучения направления подготовки 35.03.06 Агроинженерия.
Cодержит варианты контрольных заданий, типовые схемы
автоматического управления пневмоприводами и пример решения
типовой задачи.
Составитель: Белов Е.Л. – к.т.н., доцент
© ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА,
Белов Евгений Леонидович, 2015
2
Введение
В программу подготовки инженеров по направлению подготовки Агроинженерия (профили «Электрооборудование и электротехнологии», «Технологическое оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции») входит выполнение контрольного задания по дисциплине «Пневмопривод и пневмоавтоматика». Целью его является приобретение студентами практических навыков по составлению и расчету простых схем пневмоприводов, содержащих средства автоматики и аппараты кондиционирования воздуха.
1. Содержание контрольного задания
Составить схему пневмопривода, предусмотрев кондиционирование воздуха, с цилиндром одностороннего действия или двустороннего действия с двусторонним штоком (в зависимости от варианта задания по табл. 1). Номер варианта соответствует порядковому номеру студента в списке группы (очной формы обучения) или последней цифре шифра для студентов заочной формы обучения.
Для составленной схемы рассчитать массовый расход и скорость перемещения поршня в соответствии с данными табл. 2. В табл. 2 приняты следующие обозначения: l1 – длина трубопроводов до распределителя; l2 – длина трубопроводов между распределителем и пневмоцилиндром; l3 – длина трубопроводов после пневмоцилиндра; p0 – подводимое давление; DП – диаметр поршня; F – сила полезного сопротивления, приложенная к поршню; D – диаметр труб; dш – диаметр штока; Э – эквивалентная шероховатость труб; ζФ –
3
коэффициент местного сопротивления фильтра; ζр – коэффициент местного сопротивления распределителя; ζв – коэффициент местного сопротивления вентиля. Коэффициент местного сопротивления маслораспылителя принять равным ζм = 21. Температуру воздуха принять 20ºС.
2. Варианты контрольных заданий
Таблица 1
Номер |
Источник |
|
Тип |
Управление распределителем |
|
|
Варианта |
энергии |
|
распределит |
|
|
|
|
|
|
еля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схемы с цилиндром одностороннего действия |
|
|||
|
|
|
|
|||
1 |
Компрессор |
|
3/2 |
Электропневматическое повышением давления |
||
|
|
|
|
с ручным дублированием |
|
|
2 |
Магистраль |
|
3/3 |
Электромагнитное с ручным дублированием |
||
|
|
|
|
|
||
3 |
Компрессор |
|
4/2 |
Электропневматическое повышением давления |
||
|
|
|
|
без ручного дублирования |
|
|
4 |
Аккумулятор |
|
4/3 |
Пневматическое повышением давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Магистраль |
|
4/2 |
Пневматическое понижением давления |
|
|
|
|
|
|
|
||
6 |
Компрессор |
|
3/2 |
Электропневматическое понижением давления |
||
|
|
|
|
|
||
7 |
Аккумулятор |
|
4/2 |
Электромагнитное с ручным дублированием |
||
|
|
|
|
|
|
|
8 |
Магистраль |
|
3/2 |
Пневматическое понижением давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
Компрессор |
|
3/2 |
Электропневматическое |
с |
ручным |
|
|
|
|
дублированием |
|
|
10 |
Аккумулятор |
|
3/2 |
Пневматическое повышением давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схемы с цилиндром двустороннего действия |
|
|||
|
|
|
|
|
||
11 |
Компрессор |
|
5/2 |
Пневматическое повышением давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
Магистраль |
|
4/2 |
Пневматическое понижением давления |
|
|
|
|
|
|
|
||
13 |
Аккумулятор |
|
5/2 |
Электромагнитное с ручным дублированием |
||
14 |
Компрессор |
|
4/2 |
Электромагнитное без ручного дублирования |
||
15 |
Магистраль |
|
5/2 |
Электропневматическое повышением давления |
||
|
|
|
|
без ручного дублирования |
|
|
16 |
Аккумулятор |
|
4/3 |
Электропневматическое |
понижением давления |
|
|
|
|
|
без ручного дублирования |
|
|
17 |
Компрессор |
|
4/2 |
Электропневматическое понижением давления |
||
|
|
|
|
с ручным дублированием |
|
|
18 |
Магистраль |
|
4/2 |
Электропневматическое повышением давления |
||
|
|
|
|
с ручным дублированием |
|
|
19 |
Аккумулятор |
|
5/2 |
Пневматическое повышением давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
Компрессор |
|
4/3 |
Пневматическое понижением давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
p0 |
l1 |
l2 |
l3 |
DП |
F |
D |
dш |
Э |
ζф |
ζр |
|
ζв |
|
вар. |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
м |
м |
м |
мм |
кН |
мм |
мм |
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0,4 |
5 |
10 |
- |
100 |
0,9 |
10 |
- |
0,01 |
15 |
12 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0,6 |
4 |
9 |
- |
50 |
0,3 |
12 |
- |
0,02 |
16 |
18 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
0,3 |
4 |
8 |
- |
40 |
0,2 |
10 |
- |
0,01 |
17 |
13 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
0,45 |
6 |
9 |
- |
25 |
0,15 |
8 |
- |
0,03 |
18 |
16 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
0,63 |
2 |
5 |
- |
100 |
0,4 |
10 |
- |
0,02 |
10 |
14 |
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
0,5 |
5 |
6 |
- |
80 |
0,45 |
14 |
- |
0,01 |
15 |
17 |
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
0,6 |
4 |
9 |
- |
125 |
1 |
8 |
- |
0,015 |
16 |
15 |
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
0,55 |
3 |
5 |
- |
63 |
0,4 |
10 |
- |
0,025 |
17 |
11 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
0,9 |
6 |
8 |
- |
32 |
0,6 |
16 |
- |
0,03 |
18 |
12 |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
0,4 |
4 |
10 |
- |
80 |
0,5 |
10 |
- |
0,02 |
15 |
17 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
0,45 |
5 |
3 |
3 |
25 |
0,15 |
10 |
10 |
0,03 |
17 |
18 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
0,6 |
7 |
2 |
4 |
32 |
0,3 |
10 |
10 |
0,03 |
17 |
14 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
0,3 |
8 |
4 |
2 |
40 |
0,2 |
12 |
12 |
0,015 |
10 |
12 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
0,4 |
2 |
5 |
3 |
50 |
0,4 |
14 |
16 |
0,01 |
11 |
13 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 |
0,9 |
4 |
2 |
3 |
63 |
1 |
12 |
16 |
0,02 |
12 |
14 |
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
0,45 |
6 |
3 |
2 |
80 |
1,5 |
14 |
25 |
0,03 |
13 |
15 |
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17 |
0,5 |
4 |
3 |
2 |
100 |
3,5 |
12 |
25 |
0,01 |
18 |
16 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
0,55 |
3 |
2 |
3 |
125 |
4 |
10 |
32 |
0,015 |
10 |
17 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19 |
0,43 |
5 |
2 |
2 |
160 |
8 |
14 |
40 |
0,01 |
11 |
18 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
0,58 |
3 |
1 |
4 |
200 |
1,3 |
8 |
50 |
0,02 |
12 |
19 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5
3. Расчет скорости перемещения поршня пневмоцилиндра (пример
решения задачи)
На рис. 1 показана расчетная схема магистрального пневмопривода,
содержащая вентиль 1 (ζв = 5), распределитель 2 (ζр = 12) и пневмоцилиндр с поршнем 3.
Рисунок 1
Диаметр поршня Dп = 100 мм. Сила полезного сопротивления, приложенная к поршню, F = 0,8 кН.
Общая длина труб диаметром D = 10 мм составляет l = 20 м, эквивалентная шероховатость труб Э = 0,01 мм. Температура воздуха 20 ºС; подводимое давление p0 = 0,63 МПа.
Определим скорость перемещения поршня Vп, пренебрегая силами трения.
Из уравнения расхода (Mр)
П = Мр ,
п
где ωп - площадь поршня, ρ -плотность воздуха в поршневой полости.
Площадь поршня равна |
п2 |
= |
∙0,12 |
= 0,785 ∙ 10−2 |
= м2. |
|
4 |
4 |
|||||
|
|
|
|
Считая в первом приближении процесс изотермическим, определим ρ по формуле
6
= р ,
где T = 293 К, R = 287 Дж/(кг·К), а давление в поршневой полости равно
|
|
р = р |
+ |
|
|
= 105 + |
|
|
|
800 |
|
= 2,02 ∙ 105 |
Па. |
||||||||||||||||||
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
ат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,785 ∙ 10−2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,02 ∙ 10−5 |
2,4кг |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
= |
|
. |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
287 ∙ 293 |
м3 |
|
|
|||||||||||||||
Массовый расход Мр найдем по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
р2−р2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мр = ∙ |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
сист−2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
|
= |
|
+ |
+ |
|
= |
|
|
20 |
|
+ 5 + 12 = 2000 + 17, |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
сист |
|
|
|
в |
|
|
р |
|
|
|
|
0,01 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
= |
|
2 |
= |
|
∙ 0,012 |
|
= 0,785 ∙ 10−4м2. |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Предположим, что газ в трубах движется при квадратичной зоне |
|||||||||||||||||||||||||||||||
сопротивления. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆э |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,11 |
|
|
|
= 0,0196; |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
ζсист = 39,2+17 = 56,2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
М |
= 0,785 ∙ 10−4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6300002 ∙ 2020002 |
= 0.0211кг/с; |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
202000 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
287 ∙ 293 56,2 − 2 |
63000 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
П = |
|
|
0,0211 |
|
|
= 1,12 |
м |
. |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2,4 ∙ 0,785 ∙ 10−2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
Уточним наше решение. Проверим вначале правильность выбора формулы
для расчета λ. Для этого вычислим число Рейнольдса
|
|
|
∙ |
|
|
|
|
4М |
||
= |
тр |
|
= |
|
|
|
= |
р |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
тр |
|
|
|
|
7
При изотермическом процессе = |
|
= |
|
= 1,75 ∙ 10−5 |
кг/(м ∙ с) |
|
|||||
а |
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(здесь принято νа = 0,15∙10-4 м2/с – вязкость воздуха при ра = 98100 Па и Т = 293К).
Тогда Re = 1.53∙105. Так как 1,53∙105 < 560 , то зона сопротивления в нашей задаче
∆э
доквадратичная. Коэффициент трения λ необходимо вычислять по обобщенной формуле
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆э |
|
|
|
68 |
|
|
0.25 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
= 0,11 |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
При Re =1,53 105 |
|
λ = 0,0215, |
коэффициент сопротивления системы ζсист. = |
||||||||||||||||||||||||||||
60, расход и скорость поршня практически не изменятся. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Проверим правомерность допущения об изотермичности течения. Вычислим |
|||||||||||||||||||||||||||||||
число Маха: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
= |
тр |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тр |
|
|
трр |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
р |
. Для условий нашей задачи |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
uде а = , = |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
= |
0,0211 |
|
287 ∙ 293 |
|
|
|
|
= 0,313. |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
0,785 ∙ 10−4 ∙ 2,02 ∙ 105 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
1,4 |
|||||||||||||||||||||||||||||
Учитывая, что Т0, |
|
равное |
= |
|
1 + |
−1 |
2 |
|
= 293 1 + 0,2 + 0,3132 = |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
298,7 , изменилось незначительно, плотность ρ и скорость поршня тоже почти не изменяется (ρ = 2,36 кг/м3; Vп = 1,14м/с).
Опыт показывает, что при малых значениях числа Маха (М < 0,2) и скоростях воздуха до 100 м/с сжимаемость газа, как правило, можно не принимать во внимание.
8
4. Типовые схемы автоматического управления пневмоприводами
По типу автоматического управления пневмоприводы классифицируются следующим образом:
•с контролем по координате,
•с контролем по времени,
•с контролем по давлению в рабочей полости.
Автоматическое управление с контролем по координате положения рабочего органа осуществляется двумя способами: путем понижения давления и путем повышения давления.
Пример типовой схемы пневмопривода, управляемого по координате путем понижения давления, приведен на рис. 2.
На рис. 3 показана схема управления с контролем по времени. В этой схеме сигналы на переключение распределителей передаются с определенной задержкой.
Реализация способа управления с контролем по давлению в рабочей полости пневмоцилиндра осуществляется в типовых схемах зажимных устройств (рис. 4). В
этом случае назначением привода является получение определенного зажимного усилия.
9
Рисунок 2 - Типовая схема пневмопривода с автоматическим управлением по координате путем понижения давления: 1- главный распределитель; 2, 3 – нерегулируемые дроссели; 4 – тумблер; 5 – пневмоцилиндр; 6, 7 – конечные выключатели
Рисунок 3 - Схема пневмопривода с автоматическим управлением по времени выстоя поршня исполнительного устройства: 1 – пусковой тумблер; 2 – главный распределитель; 3
– пневмоцилиндр; 4 – регулируемый дроссель с обратным клапаном; 5 – двухлинейный
двухпозиционный распределитель
10